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Industrielle Automation 5/2017

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Industrielle Automation 5/2017

Megapixel auf Irrwegen

Megapixel auf Irrwegen Was Sie bei der Auswahl eines Objektivs beachten sollten und worauf es ankommt Wussten Sie, dass das Wort „Megapixel“ im Begriff „Megapixel- Objektiv“ schlichtweg sachlich falsch ist? In folgendem Artikel lesen Sie, warum die Bezeichnung Megapixel in Zusammenhang mit Objektiven wenig Sinn macht. Er erklärt die wichtigen Parameter, die es dafür unter die Lupe zu nehmen gilt, wenn Sie auf der Suche nach einem geeigneten Objektiv für Ihre Megapixelkamera sind. Stuart W. Singer, Senior Vice President und CTO von Schneider Optics, einem Tochterunternehmen von Schneider-Kreuznach, Bad Kreuznach Sensor MP- Wert Sony IMX226CQJ 12 Sony IMX253LLR/LQR 12 Pixelgröße 1,85 µm 3,45 µm Kamera- und Sensorhersteller charakterisieren ihre Produkte häufig anhand der Megapixelleistung, wobei ein Megapixel in der Praxis mit einer Million Pixel gleichgesetzt wird – genaugenommen wären es 2 20 Pixel, also 1 048 576. Die Einteilung von Kameras und Bildaufnehmern nach Megapixeln ist durchaus sinnvoll, denn der Begriff bezieht sich auf die Anzahl der physikalischen Pixel des Sensors. Je mehr Pixel, desto höher die Auflösung – so weit so gut. Wer ein Imaging-System mit höherer Auf lösung plant, greift daher automatisch zu einer Kamera mit mehr Megapixeln. In der Praxis ist es jedoch so, dass Megapixel rein gar nichts mit Objektiven und deren Qualität zu tun haben. Diese mit der Anzahl der Bildpunkte zu bewerben ist un fairer Wettbewerb und entbehrt jeder technischen Grundlage. Anforderungen an die Optik Wir schauen uns an, woher der Stellenwert der Megapixel kommt, indem wir einige Sensordiagonale Bildkreisdurchmesser 8,61 mm 17,6 mm On Semi AR1335HSSC11SMAA 13 1,1 µm 6 mm On Semi NOIM1SM9600A 9,6 2,4 µm 11 mm On Semi KAE-02150 2,1 5,5 µm 11 mm Nyquist-Grenze = 454 Lp/mm Die volle Auflösung verlangt von der Optik eine Blendenzahl von mind. f/1,0 bekannte Marken analysieren. Dabei handelt es sich um hochwertige Sensoren, die den meisten Kamera-Interessenten ein Begriff sind. Dies sind zum einen die beiden Chips von On Semi (siehe Tabelle unten) und die grün markierten Felder. In dieser Spalte ist die je weilige „Sensordiagonale“ (Größe des Chips von Ecke zu Ecke) notiert. Beide Chips haben eine Sensordiagonale von 11 mm. Die Spalte links daneben zeigt die „Pixelgröße“. Der obere Chip hat eine Pixelgröße von 2,4 µm, der untere von 5,5 µm. Es ist klar erkennbar, dass die beiden Chips von der Fläche her identisch sind: Beide haben eine Sensordiagonale von 11 mm, aber einer bringt auf dieser Fläche 4,5 × so viele Bildpunkte unter wie der andere. Gängige Megapixelsensoren im Vergleich Die orange markierten Werte zeigen zwei Sony-Sensoren mit 12 Megapixeln, ein sehr gängiger Wert. In der rechten Spalte ist der erste Sensor mit einer extrem kleinen Pixelgröße von unter 2 µm verzeichnet. Nur die wenigsten Objektive können bei 2 µm überhaupt noch einen einzelnen Punkt abbilden. Der andere Bildaufnehmer arbeitet mit 3,45 µm immer noch mit geringer Pixelgröße, aber es ist schon wesentlich einfacher, hierfür eine gut funktionierende Optik zu finden. Aus dieser Darstellung wir deutlich, dass der Erwerb einer Optik unter Umständen zu einer falschen Entscheidung führen kann. Wenn die Optik für das dort beschriebene Sony-Kamerasystem ausgewählt werden 64 INDUSTRIELLE AUTOMATION 5/2017

soll und vom Hersteller lediglich die Information verfügbar ist, es handle sich um ein 12-Megapixel-Objektiv, besteht die Gefahr, eine Komponente zu erwerben, die unbefriedigend ist oder gar nicht mit dem vorhandenen Imaging-System harmoniert. Dasselbe gilt für den On Semi-13-Megapixel-Sensor: wird beim Objektivkauf die winzige Pixelgröße von 1,1 µm außer Acht gelassen, ist Ärger vorprogrammiert: 1,1 µm Pixelgröße bedeutet eine gigantische Objektivauflösung von 454 Linienpaaren/mm! Wenn ein Punkt im Objektraum zuverlässig bzw. pixelgenau auf einen Bildpunkt treffen soll, ist ein extrem lichtstarkes Objektiv mit einer Offenblende von mindestens f/1 erforderlich – und solche Objektive sind dünn gesät. Der erste Tipp: Pixelgröße statt Megapixelzahl Wichtig ist also, nicht die Megapixelzahl zu berücksichtigen sondern die Pixelgröße, um die es geht. Wenn Anwender wissen, was es mit der Pixelgröße auf sich hat, kann genau das passende Objektiv ausgewählt werden, dessen Auflösungsvermögen bzw. Modulationstransferfunktion (MTF) ausreicht, um bei dieser konkreten Pixelgröße einen Punkt zu bilden. Betrachten wir noch einmal die beiden Sony-Sensoren: Bei der Auswahl der passenden Optik für diese 12-Megapixel-Kameras sollte auf den Unterschied in der Sensordiagonalen geachtet werden. Das Verhältnis ist fast 2:1! Wenn „12 Megapixel“ das einzige Kriterium für den Objektivkauf sind, könnte man immer noch Glück haben: Ein 12-Megapixel-Objektiv für den ersten Sony-Sensor kommt vielleicht mit dem Bildkreisdurchmesser bzw. mit der Sensordiagonalen von 8,61 mm zurecht (unseren Erfahrungen zufolge sind viele 12-Megapixel- Objektive nur mit einer Korrektur für einen 8-mm-Bildkreis ausgestattet). Aber man müsste sich auf sein Glück verlassen, um eine Optik zu erwischen, die einen Bildkreis ausleuchten kann, der groß genug für den zweiten Sensor ist. Tipp Nummer zwei: Kriterien für industrielle Anwendungen Aus den oben beschriebenen Zusammenhängen ergeben sich wichtige Konsequenzen für alle Anwendungen der industriellen Bildgebung von Robot-Vision über Wafer- Prüfungen, von der Sichtkontrolle im Bereich der Lebensmittelprüfung bis hin zu Sicherheitsanwendungen. Bei den Kameras für diese Imaging-Systeme sind die Megapixelwerte selbstverständlich relevant, aber wenn ein „12-Megapixel- Objektiv“ erworben wird, das nur für ein Sensorformat von Darauf kommt es an n Nicht die Megapixelzahl ist bei einem Objektiv-Kauf relevant, sondern die Pixelgröße und die Abmessungen des Sensors. n Ist die Pixelgröße bekannt, kann ein Objektiv ausgewählt werden, dessen Auflösungsvermögen bzw. Modulationstransferfunktion (MTF) ausreicht, um bei dieser konkreten Pixelgröße einen Punkt zu bilden. n Wichtig sind Informationen über die Anforderungen der Sensorfläche, sodass eine Optik gewählt werden kann, deren Bildkreis die gesamte Sensorfläche ausleuchtet. 2/3" (11 mm Diagonale / Bildkreisdurchmesser) ausgelegt ist, kommt es beim Sony- Sensor mit einer 17,6-mm- Diagonale zu schwarzen Ecken. Das heißt die Sensorfläche kann in keinster Weise ausgenutzt werden. Hieraus ergibt sich Tipp Nummer zwei: Anwender sollten sich über die Anforderungen der Sensorfläche informieren, sodass eine Optik gewählt werde kann, deren Bildkreis die gesamte Sensorfläche ausleuchtet. Blendenzahl und Beugungsscheibchen Dass zwischen Megapixel-Versprechen und Objektiv-Qualität keinerlei Zusammenhang besteht, lässt sich auch anhand des Beugungsscheibchens veranschaulichen, dem theoretisch kleinsten zentralen Fleck, in dem ein Lichtstrahl fokussiert werden kann. Der Durchmesser des zentralen Rings berechnet sich nach der Formel 2,44 × Blendenzahl × Wellenlänge. Der Durchmesser des Beugungsscheibchens ist wichtig, da sich hieraus Konsequenzen für die Bildauflösung und die Wahl der Optik ergeben. Inzwischen sind bei vielen Megapixelsensoren die einzelnen Pixel kleiner als das Beugungsscheibchen. Anwender haben daher zum Beispiel folgendes Problem: Ein Objektiv mit Blendenzahl f/5,6 produziert ein Beugungsscheibchen von fast 9 µm – warum sind die erzeugten Bilder trotzdem unscharf und erreichen nicht die notwendige Auflösung? Der Grund liegt darin, dass mit einer Pixelgröße von 1,94 µm gearbeitet wird, d. h. dass bei einer Anfangsöffnung von f/5,6 keine einzelnen Pixel angesprochen werden können. Selbst im Idealfall muss das Objektiv für einen einzelnen Punkt im Objektraum einen Cluster aus mindestens vier Pixeln bilden. Dies bedeutet: Ein Anwender hat den Bildsensor wegen seiner hohen Megapixel-Auflösung und geringen Pixelgröße ausgewählt und besitzt ein Objektiv, das nicht in der Lage ist, eine der Pixelgröße entsprechende Punktgröße zu liefern. Das heißt die Leistung des Sensors kann nicht genutzt werden und damit ist die Anschaffung praktisch wertlos. Die entscheidenden Faktoren Klar ist nun, dass die Auswahl eines Objektivs auf der Grundlage der Megapixel-Ausstattung des Kamerasensors der falsche Ansatzpunkt ist. Wenn es um die technischen Daten der Kamera geht, steht die Megapixelleistung an erster Stelle, und das ist Auch Objektive für industrielle Kameras in Imaging-Systemen müssen nach wesentlichen Kriterien sorgfältig selektiert werden. info@falcon-illumination.de auch in Ordnung. Die passende Optik für ein Kamerasystem sollte sich jedoch nicht an dem Wort „Megapixel“ orientieren, sondern sich auf die beiden entscheidenden Faktoren konzentrieren – die Größe des einzelnen Pixels und die Abmessungen des Sensors. Leider tragen viele Optikhersteller nicht gerade zur Aufklärung bei: Mit dem griffigen Megapixel-Argument, das jedoch im Objektivbereich keinerlei Relevanz besitzt, führen sie unbedarfte Kunden in die Irre und verleiten zum Fehlkauf. Da es keine Vorschriften für die Aussagekraft der technischen Daten von Objektiven gibt, ist es zu empfehlen sich gut zu informieren und vor dem Kauf die richtigen Fragen zu stellen. Bilder: Pixabay, Schneider Optics www.schneiderkreuznach.com +49 7132 99169-0 Anzeige bis 1000 Lumen INDUSTRIELLE AUTOMATION 5/2017 65 Falcon-2.indd 1 15.02.2017 10:46:45

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